长春地铁站深基坑支护设计方案对比研究

王长青 王坦 熊育久

摘 要：基坑开挖工程是地下空间开发利用的关键环节，尤其在城市地铁车站建设前，深基坑支护设计及其工程造价与车站安全保护的博弈是工程师面临的重要挑战。以长春某地铁深基坑支护为例，根据土层勘测信息，在假定基坑地表最大沉降量17 mm情景下，选择并设计了地下连续墙和钻孔灌注桩2种支护方案，采用安全性、水平位移、造价等指标定量分析了不同设计方案的差异。结果表明：虽然地下连续墙因整体性好，其水平位移略小于钻孔灌注桩1.21 mm，但钻孔灌注桩的整体稳定和抗倾覆稳定安全系数均大于地下连续墙，具有更高的安全储备，且钻孔灌注桩的材料造价比地下连续墙的低三分之一，更经济。因此，在实际施工中推荐钻孔灌注桩作为该深基坑支护结构。

关键词：地铁;深基坑;支护方案设计;地下连续墙;钻孔灌注桩

Comparative study on different design schemes of retaining system in deep foundation pit support at Changchun metro station

WANG Changqing1， WANG Tan2， XIONG Yujiu1

（1.School of Civil Engineering， Sun Yat-sen University， Guangzhou 510275， Guangdong， China;

2.School of Civil Engineering， Changchun Institute of Technology， Changchun 130012， Jilin， China）

Abstract： Foundation pit excavation is a key in utilizing underground space. However， it is challenging in selecting and designing retaining structure for engineering deep excavation supporting when construction of urban subway stations. In addition， the balance between cost and safety of the designed program is another major challenge. In this study， different design schemes of retaining system in deep foundation pit excavation support are compared for a metro station in Changchun city. According to the soil properties of the construction site， assuming the maximum settlement of the deep foundation pit at 17 mm， two commonly used retaining systems， underground diaphragm wall and cast-in-place bored pile are selected and designed. Then， the two systems are quantitatively compared in terms of safety， horizontal displacement， and cost. The results show that although the horizontal displacement under the underground diaphragm wall is 1.21 mm smaller than that of cast-in-place bored pile， the cast-in-place bored pile performs better in global stabilization and anti-overturning stability safety. Moreover， the material cost of the cast-in-place bored pile is one third lower than that of the underground diaphragm wall. The conclusion： the cast-in-place bored pile can be used as the supporting structure of the deep excavation.

Keywords： metro; deep foundation pit; scheme of retaining system; underground diaphragm wall; cast-in-place bored pile

隨着我国社会经济发展，特别是快速城市化（邱国玉等，2019），城市人口越来越密集，给城市带来发展机遇的同时也极大地增加了城市交通压力。由于地铁具有节能环保、运输能力大、不侵占地面空间、交通组织相对简单等优点，是有效缓解城市巨大交通压力的理想交通方式（梁宁慧等，2008）。

地铁建设过程中，地铁车站基坑开挖工程，尤其是开挖深度大于7 m的深基坑，是地下空间开发利用的关键环节。根据JGJ 120―2012《建筑基坑支护技术规程》，目前常用于深基坑支护类型主要有锚杆式结构、支撑式结构、排桩、支护结构与主体结构结合的逆作法。对基坑周边环境条件非常复杂的深基坑，通常采用排桩，或者支护结构与主体结构相结合的逆作法，由于城市中基坑工程往往临近建筑物地下室以及受到建筑红线的约束，常常限制了锚杆式结构的应用（郭瑾，2014），因此，支撑式结构和排桩是常用于深基坑支护工程的2种支护结构。深基坑支护工程面临着许多安全问题，因深基坑支护工程涉及土力学、工程地质、结构工程等多个学科，以及施工过程的多环节性，其复杂性导致不论是在设计还是施工中都极具不确定性（刘兴华，2016），开挖深度的增加，必然导致周边环境复杂化（张训玉，2021），深基坑支护设计及其工程造价与车站安全保护的博弈是工程师面临的重要挑战（杨海林，2013）。

长春地区地铁建设尚处于萌芽阶段（黄静莉，2013），鉴于不同地质条件对地铁建设的影响不同，本文以长春某拟建地铁车站为例，根据车站工程地质条件及基坑工程手册（刘国彬等，2009），选择并对比地下连续墙（支撑式）和钻孔灌注桩（排桩）2种常用深基坑支护结构，以地表垂直沉降量作为控制条件，设计不同支护方案，从安全性（整体稳定性和抗倾覆稳定性）、水平位移、材料造价等3个指标定量分析不同支护方案总体效果，为长春地区地铁车站深基坑的支护方案设计提供参考。

1  研究方法

1.1  工程概况

拟建的长春地铁5号线一期工程越达路车站，位于硅谷大街与西越达路交汇处西越达路东侧，附近主要建筑物为其南侧的益田硅谷新城和市政停车场，车站沿硅谷大街道路北侧建设，硅谷大街道路红线宽度为100 m，西越达路道路红线宽度为24 m，其结构为地下双层两跨岛式车站，地下一层为站厅层，地下二层为站台层。

车站设计总长218.4 m，标准段车站宽度为19.7 m。車站主体结构采用现浇钢筋混凝土地下双层两跨箱形框架结构，由侧墙、梁、板、柱等构件组成，沿车站纵向设置纵梁体系;车站顶板覆土厚度3.2～4.2 m，计算时考虑地面超载20 kPa，底板埋深16.6～18.2 m;车站基坑平均开挖深度为17.3 m。车站地下水位约深3.1 m，地下水类型主要为孔隙潜水和承压水：孔隙潜水水位埋深为1.2～5.0 m，水位标高194.29～233.24 m，含水层主要为粉质黏土②1层、粉质黏土②2层，隔水层主要为硬塑的粉质黏土②3层、粉质黏土②4层，其具有明显的丰、枯水期变化，多年变化平均值1.5 m;承压水水头埋深2.6～3.7 m，水头标高194.75～213.65 m，以粉质黏土②3层、粉质黏土②4层为相对隔水顶板，含水层岩性为中粗砂层③、全风化泥岩层④。场地土层自上而下分别为填土层、粉质黏土层、全风化泥岩。各土层的物理信息依次如表1所示。

结合表1，车站深基坑支护的特殊性在于：1）各土层厚度变化较大，特别是粉质黏土②，平均变化幅度1～17 m;2）地下水位较高，孔隙潜水的多年平均水位为1.5 m;3）基坑开挖深度较深，开挖深度达17.3 m。土层厚度变化大增加了支护的安全风险，基坑开挖深度深增加了基坑的潜在变形量，故在进行方案比选时，考虑经济性的同时，应重点关注各支护方案的安全性指标（整体稳定性安全系数、抗倾覆稳定系数）和基坑变形。因此，在进行支护方案比选时，从深基坑受力变形角度，采用整体稳定性安全系数、抗倾覆稳定系数评价方案的安全性，结合材料工程造价，综合评定不同支护方案。

1.2  支护设计方案

基坑开挖深度为17.3 m，根据《长春市城市轨道交通5号线一期工程初步设计技术要求》（北京城建设计发展集团股份有限公司，2020），需控制基坑地表最大垂直沉降量小于26 mm。地面沉降是由于自然和人为因素导致土层被压缩致使地面高程降低的地质现象（欧智德等，2021），由于地表沉降量与基坑安全密切相关（徐方京等，1993），本文以基坑最大地表垂直沉降量作为控制条件，按照桩径和墙厚调整规则（桩径、墙厚一般以200 mm的倍数调整），参考Peck（1969）和候学渊等（1989）前人研究成果，结合本工程土层地质条件选择指数法计算地表沉降量，经理正深基坑结构设计软件解出最大地表垂直沉降量为17 mm。在此工况情景下，根据车站基坑开挖深度以及工程地质条件选择地下连续墙和钻孔灌注桩2种常用支护方案，设计并计算详细的基坑支护参数，计算采用理正深基坑支护结构设计软件完成。支护方案设计中的处理包括：1）根据相似性，将粉质黏土②1与粉质黏土②2合并为黏性土，粉质黏土②3与粉质黏土②4合并成为粉土，各层物理参数见表2，根据《工程地质手册》（2018），各土层重度参数由勘测的各土层的天然含水量及塑限含水量确定。2）基坑外侧水位埋深设为3.1 m，基坑内侧降水深度设为基坑顶面以下18.3 m，且假定内侧水位不随开挖过程发生变化。

根据JGJ 120―2012《建筑基坑支护技术规程》和《基坑工程手册》要求，参考深基坑工程实践经验，围护结构厚度一般取0.05倍基坑开挖深度。王浩等人（2016）对不同宽度的基坑研究表明，当插入比小于1.0时，随着插入比的增大，围护结构的最大水平位移明显减少，但当插入比超过1.0以后，水平位移减小效果并不显著，故在进行方案设计时，不能为了减少材料造价或者减少围护结构的水平位移盲目增加支护结构的嵌固深度。据此，2种不同支护方案最终设计结果如下：1）地下连续墙设计墙体厚度为800 mm，支护深度设计为26.8 m，嵌固深度为9.5 m，冠梁高、宽分别为800 mm;基坑外侧水位设为3.1 m，基坑内侧降水深度设为18.3 m（图1 a）;选择内支撑直径630 mm，壁厚16 mm的Q235钢支撑，水平间距设定5 m，第一道和最后一道钢支撑距离基坑边缘4.2 m（图1 c），竖向设置4道钢支撑，第一、二、三、四道支撑分别位于冠梁标高以下0、4.5 m、9 m、13 m处，钢支撑详细布置见图2。2）钻孔灌注桩桩长26.3 m，嵌固深度9 m，桩身材料采用强度等级为C30的钢筋混凝土;由于承压水层水位标高为194.8～213.7 m，大部分在基坑开挖面以下，因此，主要以疏导潜水为主，采取坑外管井降水，坑内明排，基坑内外承压水水头最大为4.5 m，根据JGJ 120―2012《建筑基坑支护技术规程》计算，止水帷幕进入隔水层深度为0.9 m，且不宜小于1.5 m，在此基础上根据JGJ 120―2012《建筑基坑支护技术规程》采用两管法（张义东等，2005）设计了单排桩径600 mm、中心距300 mm的高压旋喷止水帷幕，桩长为20 m。冠梁高宽为800 mm × 800 mm（图1 b）。钻孔灌注桩为圆形截面，桩径800 mm，沿基坑宽度方向第一个桩间距为0.85 m，其余桩间距1200 mm（图1 d）

根据受力和配筋要求，2种支护方案的受力筋采用HRB335级钢筋，箍筋和分布筋采用HPB300级钢筋。钻孔灌注桩与地下连续墙的钢支撑布置与基坑内外侧水位设置相同，竖向设置4道钢支撑，第一、二、三、四道支撑分别位于冠梁标高以下0、4.5 m、9 m、13 m处，钢支撑详细布置见图2。

1.3  不同支护方案对比方法

采用三类指标，即安全性（整体稳定性和抗倾覆稳定性）、支护结构的最大水平位移量、支护结构造价，对比判断2种不同支护方案的差异，各指标计算方法如下：

1.3.1  安全性指标

安全性指标包括基坑整体稳定性安全系数Ks和抗倾覆稳定性安全系数Kov。采用瑞典条分法计算整体稳定性安全系数Ks（式1）、根据《基坑工程手册》计算抗倾覆稳定性安全系数Kov（式2）

K_S=（∑（c_i l_i+W_i cosθ_i tgϕ_i））/（∑W_i sinθ_i ） （1）

式中，Ks为安全系数，ci 为条块的黏聚力，li 为条块的弧长，Wi 为条块的重量，θi 为第i个条块底部的坡角，ϕ_i为条块的内摩擦角。整体稳定安全系数越大，基坑抗滑移稳定性越好。

K_ov=M_P/M_a        （2）

式中，Mp为被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩，Ma为主动土压力对桩底的倾覆弯矩。

1.3.2  最大水平位移指标

在计算支护结构变形量时，因弹性地基梁法能够得到较为理想的结果（田娇等，2011），故根据《基坑工程手册》采用弹性地基梁法建立的微分方程计算支护结构最大水平位移量（式3、式4）：

EI （d^（_4 ） y）/（dz^4 ）-e_a （z）=0 （0≤z≤hn）  （3）

EI （d^4 y）/（dz^4 ）+mb_0 （z-h_n）y-e_a （z）=0 （z > hn）  （4）

式中，EI为支护结构的抗弯刚度，y为支护结构的水平侧向位移，z为土层深度，ea（z）为 z 深度处的主动土压力，m为土层水平抗力系数，hn为第n步的开挖深度，b0为长度。

1.3.3  支护方案造价指标

以2种支护方案的材料费与土方开挖费的总造价作为2种支护方案的造价指标，其中2种支护方案所用材料包括：配筋时采用的光圆钢筋HPB300和热轧带肋钢筋HRB335，钢支撑所用材料为Q235钢以及商品混凝土C30。根据吉林省建设工程造价信息网公布的各施工材料单价（吉林省建设工程造价信息网，2021），以及各材料用量计算总造价，各材料及土方开挖单价信息见表3。

2  结果与分析

2.1  支护方案安全性对比

2种支护方案的安全性指标计算结果如图3所示。计算结果表明：地下连续墙与钻孔灌注桩的整体稳定安全系数Ks分别为1.670和1.742，均大于1.35;抗倾覆稳定安全系数Kov分别为3.208和3.749，均大于1.25，满足JGJ 120―2012《建筑基坑支护技术规程》要求，但是从计算结果来看，2种支护方案的安全性系数很接近，在工程上可以认为两者拥有一样的安全性能。在地表最大垂直沉降量基本一致的条件下，钻孔灌注桩的整体稳定安全系数和抗倾覆安全系数均大于地下连续墙，说明钻孔灌注桩比地下連续墙有更高的安全储备，这可能是钻孔灌注桩在施工钻孔时，泥浆护壁作用对周围土体起到了一定的粘结加固作用，一定程度上增加了土体的稳定性。

2.2  支护方案最大水平位移对比

2种支护方案最大水平位移计算结果见表4。计算结果表明：地下连续墙与钻孔灌注桩的最大水平位移量分别为15.69 mm和16.90 mm;在开挖过程中地下连续墙与钻孔灌注桩的最大弯矩与最大剪力均发生在第4道内撑处，即开挖深度的四分之三处，其所承受最大弯矩分别为693.97 kN·m和522.10 kN·m，最大剪力分别为424.14 kN 和418.90 kN 。从计算结果可以看出，在地表最大垂直沉降量一致的条件下，钻孔灌注桩的最大弯矩和剪力均明显小于地下连续墙，这是因为钻孔灌注桩刚度小于地下连续墙，导致其水平位移量大于地下连续墙，进而导致其内力趋于减小（高文华等，2001），从而相对减小其所受到的最大弯矩和剪力，利于钻孔灌注桩围护结构的安全使用，但地下连续墙的最大水平位移要比钻孔灌注桩小，这是因为地下连续墙整体性好、刚度大，抵抗变形的能力更强。

2.3  支护方案材料造价对比

依据JLJD―JZ―2019《吉林省建筑工程计价定额》土方开挖为一、二类土，机械挖土方占98%，2种支护方案材料造价计算结果如图4所示，计算结果表明，其中地下连续墙的总造价为1438.3万元，钻孔灌注桩的总造价为1096.5万元，地下连续墙比钻孔灌注桩高出341.8万元，仅从材料的用量考虑，在最大垂直沉降量基本一致的条件下，钻孔灌注桩的材料用量造价低，施工方便，更加经济。

2.4  支护方案差异讨论

在实际施工时，需要综合考虑各方面因素，尤其是施工的风险把控，一旦出现意外，所造成的财产损失将会更大（但礼堂，2012）。2种支护方案的3个指标综合对比结果见表5。

从表5可以看出，钻孔灌注桩的安全性指标和经济性指标均明显优于地下连续墙，只有变形指标略低于地下连续墙，但地下连续墙水平位移小于钻孔灌注桩1.21 mm，因此，在实际施工中推荐采用钻孔灌注桩作为该深基坑支护结构。

上文在对比2种支护方案优劣时，认为3种指标重要性一致。但即使考虑权重，按其重要性程度利用经验加权评分法（邹洪海，2005）分别赋予安全性、造价、变形3种指标不同权重，评价结果表明：钻孔灌注桩依然优于地下连续墙。尽管长春位于寒冷地区，季节性冻土会对桩间土产生一定的影响（如脱落掉块现象），但当岩土层含水量较少且能切断其周边自由水和薄膜水的补给通道时，冻胀危害性能够得到消除，如在坑壁上布设水平排水渗管、对坑壁覆盖保温材料，减小土层冻结厚度等（李鲁忠，2012）。从安全性角度分析，地下连续墙的结构刚度、整体性、抗渗性以及受力均优于钻孔灌注桩方案。从经济性角度分析，钻孔灌注桩要显著低于地下连续墙方案。计算结果表明，设计的钻孔灌注桩、地下连续墙均满足规范的安全性要求，但综合考虑材料费用，钻孔灌注桩方案更适合。

深基坑支护设计方案优选结果与长春已建地铁，如一号线的庆丰路站、长春轻轨三期伪皇宫站、长春轨道交通7号线吉大四院站，采用的基坑支护形式相一致，均为钻孔灌注桩方案，表明该方案在该地区应用较好。其中长春地铁一号线庆丰路站（马谱文，2015），工程地质及水文地质条件与本案例中的车站类似，其基坑平均开挖深度为18.6 m，采用直径800 mm，间距1200 mm钻孔灌注桩作为支护结构。不同的是庆丰路站部分承压水水头标高在基坑开挖面以上，在降水时采用设置减压井来控制承压水水位，减少地下水对基坑的影响。考虑到承压水分布具有一定的不确定性，本文设计的钻孔灌注桩方案采用在基坑四周布置止水帷幕，更好地减少地下水对基坑的影响。

本车站基坑平均开挖深度为17.2 m，长春轻轨三期伪皇宫站和长春轨道交通7号线吉大四院站基坑开挖深度则更深（高云昊等，2011;张险涛，2021），基坑的变形比本文车站更难控制，其中伪皇宫站的车站入口基坑开挖深度为20.1 m，采用直径1000 mm、间距1200 mm的钻孔灌注桩作为支护结构;而吉大四院站的基坑平均开挖深度达到21.2 m，采用的是直径1000 mm的钻孔灌注桩。综上所述，本案例中地铁深基坑采用钻孔灌注桩方案是合理的，符合长春相似地铁深基坑支护设计。

此外，在设计过程中，发现钻孔灌注桩在桩径一定的情况下，其最大水平位移不随桩间距的增大而增大，比如桩径为800 mm的钻孔灌注桩，桩间距为1 m时的最大水平位移量大于桩间距为1.2 m时的最大水平位移量，说明为了控制变形，不能盲目采用减少桩间距的办法。尽管综合3种指标，钻孔灌注桩更适合作为长春地区的深基坑支护结构，但随着施工技术的提高以及施工成本的降低，地下连续墙固有优势（张峰，2014）及其与地下结构外墙“两墙合一”模型研究表明，墙体因其弯矩较小，且随着荷载的增加，墙体弯矩的变化不明显（谢志秦等，2012），若能得到应用和发展，将使许多工程既确保了工程质量和进度，又减小了结构断面，节省混凝土用量。

3  结论

在保持地表垂直最大沉降量一致的条件下，分析长春某地铁工程中地下连续墙和钻孔灌注桩2种深基坑支护方案的安全性、最大水平位移、造价3种指标，结果表明：1）钻孔灌注桩整体稳定性和抗倾覆稳定性安全系数均大于地下连续墙，拥有更高的安全储备。2）地下连续墙水平位移量小于钻孔灌注桩，地下连续墙的整体性好、刚度大，可以抵抗更大的变形。3）仅考虑材料用量，钻孔灌注桩可以节约三分之一的费用。在满足相应基坑水平位移变形标准的条件下，综合考虑3项指标，钻孔灌注桩更适合作为此车站深基坑支护结构。

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